CN101567658A

CN101567658A - 基于正弦脉冲宽度调制spwm的旋转变压器激磁电路

Info

Publication number: CN101567658A
Application number: CNA2009100228657A
Authority: CN
Inventors: 何海龙; 刘世挺; 高栋
Original assignee: No206 Institute Of China North Industries Group Corp
Current assignee: No206 Institute Of China North Industries Group Corp
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2029-06-05
Also published as: CN101567658B

Abstract

本发明公开一种基于正弦脉冲宽度调制SPWM的旋转变压器激磁电路，包括微处理器、模拟解调电路和功率放大电路，所述微处理器采用DSP进行数字调制，将所需的正弦基波信号加载到高频的方波载波信号上形成高频SPWM波信号，并将SPWM波形以差分方式输出到模拟解调电路。所述模拟解调电路采用双路双电源运算放大器TL082，该运算放大器的一路构成差分比例运算器，另一路构成滤波器。所述功率放大电路采用双路双电源线性功率放大器PA60和电阻构建双路反相比例器，将输入的正弦基波信号隔直处理及功率放大，生成激磁信号同时驱动两路旋转变压器工作。本发明的电路简单，安全可靠，温漂和直流分量小，输出信号稳定性好，输出波形失真度低。

Description

基于正弦脉冲宽度调制SPWM的旋转变压器激磁电路

技术领域

本发明涉及变压器磁变量产生技术领域，特别是一种利用正弦脉冲宽度调制(SPWM)技术来产生旋转变压器激磁信号的激磁电路，该电路可用于驱动各种类型的旋转变压器。

背景技术

旋转变压器作为精密测角元件，以其出色的抗震动性、抗冲击性以及在各种恶劣环境下的适应能力而被广泛应用于军工、船舶、航空航天、冶炼、开采等行业中。

旋转变压器属于无源元件，在使用时必须在其激磁端施加特定的正弦信号来驱动。对于以旋转变压器为传感器的测角系统来讲，激磁信号就如同其心脏一样。它是整个系统正常运转的发动机，该信号指标的好坏将直接影响到系统的测角性能。

伴随着旋转变压器和电子技术的不断发展，其激磁信号的产生方式也在不断地发生变化。早期，旋转变压器激磁信号采用由模拟无源器件，如电阻、电容、电感等来搭建成特定频率的振荡电路来产生相应的正弦激磁信号，此方式产生的激磁信号稳定性差，波形失真度大，受环境温度影响大，且信号频率较低。

随着微封装技术的不断发展，出现了可产生波形的模拟集成元件。此类器件加配少量的调节电阻、电容就可产生所需的信号。此外，国内外的一些公司还研制了专用的旋转变压器激磁模块，如国外的AD，DDC和国内的连云港杰瑞电子公司等。采用模拟集成器件产生的激磁信号稳定性有所提高，但是在温度环境恶劣的场合中其性能依然不能满足要求；专用的激磁模块稳定性好，受环境温度影响较小，但其价格非常昂贵。

近年来，由于数字频率合成(DDS)技术的飞速发展，此类芯片也被应用到旋转变压器的激磁信号产生中，如专利申请《一种基于旋转变压器的多圈绝对型旋转编码器》(申请号：CN200810018817.6)中就采用了此类激磁产生方式。但此类芯片驱动能力有限，且不能独立工作，需处理器来对其进行控制。

发明内容

本发明的目的是针对上述旋转变压器的激磁信号所存在的稳定性差，波形失真度大，受环境温度影响大，信号频率较低等主要缺陷，研制一种稳定、可靠的基于正弦脉冲宽度调制SPWM的旋转变压器激磁电路，该电路的结构应简洁有效，输出波形应频率高，温漂小，波形失真度低，波形稳定度好。

为了实现上述目的，本发明以微处理器技术为依托，采用SPWM技术、数字调制技术和模拟解调技术设计一种新型激磁电路。其具体的技术方案如下：该激磁电路包括微处理器、模拟解调电路和功率放大电路，所述微处理器采用DSP芯片进行数字调制，将所需的正弦基波信号加载到高频的方波载波信号上形成高频SPWM波信号；为了减少干扰，将SPWM波形以差分方式“SPWM+”和“SPWM-”输出到模拟解调电路；所述模拟解调电路采用双路双电源运算放大器TL082，该运算放大器TL082的一路用于构成差分比例运算器，另一路构成滤波器，该滤波器采用高品质因数(Q值)的有源二阶带通滤波器，差分比例运算器将输入的差分信号“SPWM+”和“SPWM-”转换为单端信号SPWM，送到滤波器滤除杂波保留所需的正弦基波信号，再将该信号送入功率放大电路；所述功率放大电路采用双路双电源线性功率放大器PA60和电阻构建双路反相比例器，将输入的正弦基波信号进行隔直处理及功率放大，生成激磁信号同时驱动两路旋转变压器工作。

本发明采用上述技术方案构成了一种新型的旋转变压器激磁电路，与现有技术相比较具有以下优点：

1.激磁信号波形产生方式以数字脉冲宽度调制技术为基础，输出信号的稳定性好，温漂和直流分量小。

2.输出激磁信号的幅值可在微处理器的软件中通过改变SPWM波的最大占空比来调节，调试方法便捷，且安全可靠。

3.采用快速微处理器可产生高频率的载波信号，提高了调制频率进而使模拟解调后的输出波形失真度低。

4.电路简单有效，成本低廉。

附图说明

图1本发明的基于SPWM的旋转变压器激磁电路结构框图

图2本发明基于SPWM的旋转变压器激磁电路原理图

具体实施方式

参照上述附图，对发明的优选实施方式进行详细叙述。

参见图1，本发明采用的微处理器为DSP，其型号为TI公司的TMS320LF2812，主要完成数字调制，以产生相应的SPWM波，并利用该芯片特有的PWM外设将SPWM波形以差分方式输出。模拟解调电路部分采用双路双电源运算放大器TL082，该运算放大器采用结型场效应管输入，具有输入偏置电压低、输入阻抗大、转换速度快、通带宽等特点。该运算放大器一路用于差分比例运算器，一路用于滤波器；功率放大电路采用双路双电源线性功率放大器PA60，该功率放大器单路输出电流可达1A。

参见图2，该电路的工作过程如下：首先，在微处理器DSP中加载相应的正弦表。该表储存了归一化后的正弦函数在一个周期内的n个采样点值，该处理器中载波频率最大可达300KHz，150个采样点，其中采样点数n为载波频率相对于基波频率的倍数。本发明中设定载波频率为200KHz，100个采样点。此后，利用TMS320LF2812中特有的事件管理器(EV)模块产生SPWM波。在EV模块中根据载波频率设置定时器，在每次定时器中断服务子程序中将所存储的正弦表值依次载入到比较寄存器中，进而在每个载波周期达到脉冲宽度正弦调制的目的。再将所产生的SPWM信号从DSP特定的PWM引脚输出，并设定为差分模式。经过上述处理后，将得到差分形式的、由正弦波进行脉冲宽度调制的高频方波载波信号。

如图2所示，SPWM差分信号分别通过R1、R2电阻引入TL082运算放大器的A路(其中，“SPWM+”信号由R1电阻连接到运算放大器的负端，“SPWM-”信号由R2电阻连接到运算放大器的正端)。运算放大器TL082的A路输出又经过R3电阻反馈回其负输入端，从而形成了运算放大器的反相比例电路。由运算放大器的工作原理可以推算出，TL082的A路运算放大器输出电压为

U_{0} = \frac{R_{3}}{R_{1}} * U_{spwm -} - \frac{R_{3}}{R_{2}} * U_{spwm +},

令R₁＝R₂，则

U_{0} = \frac{R_{3}}{R_{1}} * (U_{spwm -} - U_{spwm +}),

从而将差分信号转换为单端信号SPWM，电路中选取的调节比例系数K₁＝R₃/R₁＝2。为了保持运算放大器的输入电压平衡，TL082的A路正端上增加R₄电阻，R₄的阻值与R₃相同。电容C₁和C₂的值相同，用于滤出高频干扰。

如图2所示，滤波器采用高Q值的二阶带通滤波电路，该电路通带窄，中心频率增益高，具有良好的选频特性。当中心频率为2KHz时，其Q值可达1.2e5。二阶带通滤波电路由TL082运算放大器的B路、电阻R₅～R₉和电容C₃，C₄构成。其中，输出信号通过R₇反馈回运算放大器的正端形成正反馈，使电路起振并提高电路响应速度；输出信号通过R₈，R₉的分压电路后反馈回运算放大器的负端形成负反馈以维持电路平衡，使输出信号稳定；R₅，R₇和TL082的B路组成同相比例电路，以控制正反馈的幅度。滤波主回路由C₃，C₄和R₆构成，镶嵌在正反馈回路中，以滤出无用频段的信号，而使所需要频段的信号在正反馈回路中起振，C₃滤出低频信号，C₄、R₆滤出高频信号。

电路参数：

R5

20K

R6	10K
R6	10K	R7	20K
R8	47K	R7	20K
R8	47K	R9	10K
C3	8nF	R9	10K
C3	8nF	C4	8nF

该电路的输入为载波频率200KHz，基波频率2KHz的，单端SPWM信号，输出为2KHz的正弦信号。

如图2所示，功率放大电路是由功率运算放大器PA60，电容C5和电阻R10～R15构成。经过滤波器后产生的正弦信号，先由C5电容进行隔直(隔离直流分量)处理滤出其中的直流分量，再由R10～R12和R13～R15组成的两路反相比例器来控制输出激磁信号的幅值。其中，运算比例K2＝R11/R10，K3＝R14/R13，电阻R12和R15为运算放大器的平衡电阻，用来保证集成运算放大器输入级差分放大电路的对称性，其值为R12＝R11//R10，R15＝R13//R14。其运算比例系数K2，K3根据具体需要由用户来调节。C5电容选用1μF的陶瓷贴片电容。

通过上述过程，将产生驱动旋转变压器所需的激磁信号。该电路可同时驱动两路旋转变压器。

本发明并不限于上述实例。利用本发明的原理和方案，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型，但这些改进均在本发明的保护范围内。

Claims

1、基于正弦脉冲宽度调制SPWM的旋转变压器激磁电路，其特征在于：该电路包括微处理器、模拟解调电路和功率放大电路，所述微处理器采用DSP进行数字调制，将所需的正弦基波信号加载到高频的方波载波信号上形成高频SPWM波信号，并将SPWM波形以差分方式输出到模拟解调电路；所述模拟解调电路采用双路双电源运算放大器TL082，该运算放大器的一路构成差分比例运算器，另一路构成滤波器，差分比例运算器将输入的差分信号转换为单端信号送到滤波器滤除杂波保留所需的正弦基波信号，再将该信号送入功率放大电路；所述功率放大电路采用双路双电源线性功率放大器PA60和电阻构建双路反相比例器，将输入的正弦基波信号进行隔直处理及功率放大，生成激磁信号同时驱动两路旋转变压器工作。

2、根据权利要求1所述的基于正弦脉冲宽度调制SPWM的旋转变压器激磁电路，其特征在于：所述微处理器DSP进行数字调制过程是：将相应的正弦表加载到DSP，该正弦表储存了归一化后的正弦函数在一个周期内的n个采样点值，其采样点数n为载波频率相对于基波频率的倍数，利用DSP中的事件管理器EV模块产生SPWM波，在EV模块中根据载波频率设置定时器，在每次定时器中断服务子程序中将所存储的正弦表值依次载入到比较寄存器中，进而实现在每个载波周期的脉冲宽度正弦调制。

3、根据权利要求1所述的基于正弦脉冲宽度调制SPWM的旋转变压器激磁电路，其特征在于：所述差分比例运算器电路由双路双电源运算放大器TL082的A路和R1～R4、C1及C2构成，该电路中R1和R2，R3和R4，C1和C2的值分别相同，电路中选取的调节比例系数K₁＝R₃/R₁＝2，SPWM差分信号分别通过R1、R2电阻引入TL082 A，TL082A的输出又经过R3电阻反馈回其负输入端，从而形成了运算放大器的反相比例电路，将差分信号转换为单端SPWM信号，TL082的A路正端上增加R₄电阻，其值与R₃相同，用于保持运算放大器的输入电压平衡，电容C₁和C₂用于滤出高频干扰。

4、根据权利要求1所述的基于正弦脉冲宽度调制SPWM的旋转变压器激磁电路，其特征在于：滤波器采用高Q值的二阶带通滤波电路，由双路双电源运算放大器TL082的B路、电阻R₅～R₉和电容C₃、C₄构成，其中，输出信号通过R₇反馈回运算放大器TL082B的正端形成正反馈，使电路起振并提高电路响应速度；输出信号通过R₈，R₉构成的分压电路反馈回运算放大器TL082B的负端形成负反馈以维持电路平衡，使输出信号稳定；R₅，R₇和TL082的B路组成同相比例电路，以控制正反馈的幅度，滤波主回路由C₃，C₄和R₆构成，镶嵌在正反馈回路中，以滤出无用频段的信号，使所需要频段的信号在正反馈回路中起振，C₃滤出低频信号，C₄和R₆滤出高频信号。

5、根据权利要求1所述的基于正弦脉冲宽度调制SPWM的旋转变压器激磁电路，其特征在于：所述功率放大电路由双路双电源线性功率运算放大器PA60，隔直电容C5和电阻R10～R15构成，输入的正弦基波信号经过C5后滤出其中的直流分量，再由R10～R12和R13～R15组成的两路反相比例器控制输出激磁信号的幅值，其中，运算比例系数K2＝R11/R10，K3＝R14/R13，电阻R12和R15为运算放大器PA60的平衡电阻，其值为：R12＝R11//R10，R15＝R13//R14。